基于FPGA的速率自適應圖像抽取算法

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荷圖像可視化是深空探測任務中的重要需求，但受信道帶寬的限制，無法實時傳輸所有載荷數(shù)據(jù)，因此星載復接存儲器中圖像的抽取下傳是實現(xiàn)任務可視化的關鍵。

本文設計了一種載荷圖像抽取方法，適用于深空探測航天器載荷自主管理和可視化應用。通過圖像幀識別、指針管理和數(shù)據(jù)篩選實現(xiàn)圖像抽幀回放算法，具有圖像完整、實時，速率自適應的特點。該方法在某探測器工程項目中采用FPGA進行了實現(xiàn)，經(jīng)測試、試驗驗證，滿足工程可視化要求。

0引言

隨著深空探測任務需求的發(fā)展，星上數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)復雜化、多樣化，對在軌數(shù)據(jù)處理的需求迅速增長，地面可視化是深空探測工程任務的重要需求之一，在軌圖像的存儲和實時抽取下傳是解決可視化需求的關鍵。實際工程中，圖像數(shù)據(jù)量與下行速率之間存在矛盾，工程應用上需要獲取高分辨率的載荷圖像導致了數(shù)據(jù)速率的增加，而深空探測受數(shù)傳信道距離和速率的限制，無法實時下傳全部數(shù)據(jù)。因此需要在星載復接存儲器中對圖像進行處理，存儲圖像數(shù)據(jù)的同時對圖像進行整幀抽取，下傳最新的圖像，實現(xiàn)任務可視化。星載復接存儲器的功能是將多路不同格式的載荷數(shù)據(jù)按照高級在軌系統(tǒng)協(xié)議格式形成一路數(shù)據(jù)流，經(jīng)過切分、組幀形成多個虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），存入大容量存儲芯片（FLASH），同時將大容量存儲芯片中的數(shù)據(jù)按照選定地址進行回放，并根據(jù)需求對回放數(shù)據(jù)進行篩選。

針對上述需求，在星載復接存儲器的存儲回放過程中通過圖像幀識別、指針管理、數(shù)據(jù)篩選實現(xiàn)抽取速率自適應的載荷圖像抽取方法，并通過FPGA進行實現(xiàn)和驗證，可為后續(xù)深空探測載荷數(shù)據(jù)管理任務提供技術(shù)參考。

1抽幀回放算法

星載復接存儲器的功能為復接多路載荷圖像數(shù)據(jù)，將復接后的數(shù)據(jù)流存入大容量存儲器，根據(jù)回放指令將固存中數(shù)據(jù)讀出，進行信道編碼后輸出至數(shù)傳。

抽幀回放的過程應結(jié)合復接存儲器的工作過程，由于一幅圖像數(shù)據(jù)量較大，復接器入口無法緩存整幅圖像，因此綜合考慮軟硬件開銷，設計在記錄時進行數(shù)據(jù)標記，抽取在存儲之后的回放過程中完成。

抽取方法如圖1所示，圖像通過LVDS接口以串行形式輸入，在接口預處理模塊，將一幅圖像切分并填充為多個虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），用于存儲和下傳。

同時利用跟隨的門控信號判定圖像數(shù)據(jù)的頭尾，產(chǎn)生圖像幀頭、幀尾標識信號，以標識一幅完整的圖像。信息附加模塊將頭尾標識信號組織成附加信息，填入數(shù)據(jù)內(nèi)。

為了保證回放的圖像總是最新的圖像數(shù)據(jù)，需要知道最新圖像的幀頭VCDU地址及幀尾VCDU的存儲地址。因此在記錄過程中，使用一個最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器來記錄存儲器中最新圖像的幀頭幀尾VCDU地址，每收完一幅完整的圖像數(shù)據(jù)立即更新最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址信息，保證最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址為最新圖像數(shù)據(jù)的幀頭幀尾VCDU地址。

回放時，收到數(shù)據(jù)請求信號，回放控制模塊從最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中加載最新圖像地址，從此地址處依次回放，直到遇到了有尾幀標記字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，完成一幅圖像的抽取回放，之后繼續(xù)加載最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，進行下一幅圖像回放。

由于采用數(shù)據(jù)復接設計，多路圖像會同時進入存儲器，以多種VCDU的形式存在，F(xiàn)LASH的頁操作導致每次回放出的數(shù)據(jù)為兩個VCDU，因此在備用符號域中設計附加信息，通過對附加信息的判讀濾除多余數(shù)據(jù)，保證回放數(shù)據(jù)中充滿有效抽取圖像。

回放的速率取決于下行信道的速率，工程中由上級的回放請求信號控制。在每次請求到來時，均加載預先存入的最新圖像地址，既保證了圖像實時性，又達到了抽取速率自適應的要求。

抽幀回放算法主要考慮三個方面：抽取圖像為完整的載荷圖像數(shù)據(jù)；當前抽取出的圖像為最新數(shù)據(jù)；抽取算法對抽取速率自適應。

1.1完整性設計

輸入圖像數(shù)據(jù)由接口模塊生成VCDU，不同載荷數(shù)據(jù)通過VCID被區(qū)分為不同類的VCDU，由于FLASH采用頁操作模式，一頁的大小為2 KB，設計中一頁包含兩個VCDU.

FLASH的讀寫都基于頁進行操作，讀出一頁的兩個VCDU中，有多種可能性，數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示，圖2中給出三種可能，一是前一個是需要抽取的頭數(shù)據(jù)，后一個是需要抽取的中間數(shù)據(jù)；二是前一個是需要抽取的圖像數(shù)據(jù)，后一個是不需要抽取的其他VCDU數(shù)據(jù)；三是前一個是需要抽取的尾數(shù)據(jù)，后一個是下一幅圖像的頭，但不需要抽取。

可見，在抽取回放中必須濾除一定數(shù)據(jù)，保證抽取圖像的完整性和正確性，因此在存儲時增加附加信息，以解決圖像完整性問題。

附加信息設計為6 b，格式定義見表1.

附加信息與數(shù)據(jù)一起被存到存儲芯片中。在回放時，讀取附加信息，解析出高VCDU有效/無效信號和低VCDU有效/無效信號。由回放請求模塊進行數(shù)據(jù)濾除，保證僅回放有效數(shù)據(jù)，并且為完整圖像。

附加信息與有效標志映射關系見表2.對輸入數(shù)據(jù)的各種情況，按照表2中映射關系解析出有效/無效信號。

數(shù)據(jù)過濾模塊設置緩存，根據(jù)高低VCDU有效標示控制緩存地址，為1進行讀取，為0跳過無效的VCDU數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的濾除。

1.2實時性設計

方法中必須獲取到幀頭VCDU信息和幀尾VCDU信息才會更新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，即在收到一整幅圖像之后才能進行回放。

抽取的延時計算一幅圖像第一比特輸出和輸入時間之差，最壞情況時第N幅圖像已經(jīng)寫入，第N + 1幅圖像尾部沒有寫完，即在第N幅圖像頭寫入后兩幅圖像時間才開始回放。抽取過程中延遲時間=兩幅圖像時間+數(shù)據(jù)回放時間。工程中，圖像生成速率為10幅/s，一幅圖像的生成時間按100 ms計算。

回放數(shù)據(jù)的時間為數(shù)據(jù)從FLASH芯片中讀出時間和數(shù)據(jù)緩存時間，每頁2 KB，讀取時間約320μs；其余處理路徑上的寄存時間《10μs.因此，抽取過程中延遲時間約為200.33 ms，完全可以滿足圖像的回放觀看需要。

1.3速率自適應設計

圖像抽取的比例（即抽取圖像的間隔）與輸入速率和回放速率相關，在工程應用中，輸入圖像速率為13.33 Mb/s，回放速率為50 Kb/s，其中圖像有效數(shù)據(jù)率為41.808 Kb/s，一幅圖像大小為131 080 B，每幅圖像形成149個VCDU幀，下行共149×1 024 B=152 576 B.

以50 Kb/s速率進行回放，回放一幅圖像需要152 576×8/41 808=29.19 s，此過程中記錄圖像29.19×10=291.9，約292幀，即間隔約292幀抽取一幅圖像。

實現(xiàn)速率自適應的關鍵是抽取方法的各個環(huán)節(jié)和輸入速率、回放速率均沒有耦合。

輸入數(shù)據(jù)通過幀頭尾識別，劃分為標識出頭尾的VCDU，輸入數(shù)據(jù)速率改變，僅影響VCDU的數(shù)據(jù)間隔。

VCDU的數(shù)據(jù)間隔實際影響寫控制模塊對FLASH芯片操作的頻繁程度。因此在輸入速率符合入口速率的要求時，數(shù)據(jù)可以被正常存儲并產(chǎn)生附加信息，輸入速率對方法沒有影響。

回放數(shù)據(jù)從FLASH讀出后，解析附加信息，進行緩存、濾除無效數(shù)據(jù)后輸出回放?；胤潘俾实母淖儯瑢е禄胤趴刂颇K加載頭尾寄存器的間隔改變?；胤潘俾蕼p慢，加載間隔增長，頭尾地址寄存器將被寫控制模塊刷新多次，即抽取圖像的間隔自動增大。回放速率加快，加載間隔減小，由于在算法設計中考慮只有新的頭尾地址被存入時，回放模塊才能正確加載新地址，否則回放模塊會停止在當前地址繼續(xù)等待新圖像。因此抽取圖像的間隔會自動減小，當沒有新圖像時，抽取模塊會等待新數(shù)據(jù)進入。

速率的自適應有利于算法的穩(wěn)定性和通用性，在輸入、回放速率改變時不需要改變抽取程序即可實現(xiàn)抽取回放功能。

2工程實現(xiàn)與驗證

在工程中采用Xilinx公司300萬門FPGA，XQR2V3000［10］進行實現(xiàn)，占用資源（Slices）27%，經(jīng)仿真和測試驗證滿足需求。

2.1仿真情況

FPGA仿真情況如圖3所示，在抽取回放過程中，回放指針關系正確，間隔相等，符合分析情況。

2.2工程驗證情況

在下行速率50 Kb/s時，按前述計算，間隔292幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號為0，291，581，872，1 167，1 457，1 749，2 040，2 334，2 627，2 917，3 209，3 500，3 793，4 083，4 377，4 668，4 961，5 251，5 543，5 837，6 128，6 421，6 711，7 003，圖像號、圖像間距的測試結(jié)果與理論值對比如圖4（a），（b）所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于3幅圖像。

在下行速率250 Kb/s時，有效數(shù)據(jù)率為241.808 Kb/s，按上文計算方式計算，間隔約50幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號為0，50，100，151，201，251，302，353，403，453，504，555，605，655，706，757，807，857，908，959，1 009，1 059.圖像號、圖像間距的測試結(jié)果與理論值對比如圖4（c）、（d）所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于1幅圖像。

兩種速率下，實際測試圖像間隔與計算值符合，驗證了方法的功能性能符合需求，且具有速率自適應特點。

3結(jié)語

本文設計實現(xiàn)了一種速率自適應的載荷圖像抽取方法，適用于深空探測器載荷自主管理和地面可視化應用，實現(xiàn)了完整載荷圖像實時抽取。采用FPGA實現(xiàn)算法，經(jīng)過測試，抽取圖像完整，等間距，可適用于不同下傳速率，滿足可視化要求?？梢宰鳛楹罄m(xù)深空探測載荷自主管理的技術(shù)參考。

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